華東理工大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程階段輔導(dǎo)

《化學(xué)反應(yīng)工程》階段輔導(dǎo)（1）工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化研究對(duì)象—工業(yè)反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器研究目的—優(yōu)化優(yōu)化—在一定范圍內(nèi)（約束條件）選擇一組合適的變量，使系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（優(yōu)化指標(biāo)）達(dá)到最優(yōu)。緒論技術(shù)指標(biāo)選擇性—原料消耗，成本能耗—操作費(fèi)用反應(yīng)速率—反應(yīng)器大小,設(shè)備投資設(shè)計(jì)型優(yōu)化類型操作型轉(zhuǎn)化率xA轉(zhuǎn)化率x恒容時(shí)某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率——總轉(zhuǎn)化率x

選擇性

Selectivity選擇性β（S）aAsS（副產(chǎn)物）pP（主產(chǎn)物）一般地瞬時(shí)選擇性

收率

Yield收率單耗＝１/收率molＰ／molＡkgＰ/kgＡ決策變量操作方式—連續(xù)性、加料方式工藝條件—T、C、t、Sv、ug等結(jié)構(gòu)變量—結(jié)構(gòu)、型式、尺寸化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容：反應(yīng)→動(dòng)力學(xué)反應(yīng)+流體流動(dòng)→返混反應(yīng)+傳質(zhì)→效率因子反應(yīng)+傳熱→熱穩(wěn)定性、靈敏度化學(xué)反應(yīng)工程在過程開發(fā)中的作用反應(yīng)器的工程放大過程開發(fā)要解決三個(gè)問題反應(yīng)器選型優(yōu)惠工藝條件過程開發(fā)方法逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大方法數(shù)學(xué)模型方法化學(xué)反應(yīng)速率的工程表示反應(yīng)量：molkmol反應(yīng)場(chǎng)所（反應(yīng)區(qū)）：VR，VCAT.，kgCAT

，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于多組分反應(yīng)一般C、T影響是相互獨(dú)立的（經(jīng)驗(yàn)）

—反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)

—反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式反應(yīng)速率與溫度、濃度的關(guān)系—?jiǎng)恿W(xué)方程例如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)（溫度項(xiàng)）包含反應(yīng)級(jí)數(shù)的濃度項(xiàng)k的因次與n有關(guān)：n=1,k=[時(shí)間]-1溫度項(xiàng)式中 k——反應(yīng)速率常數(shù)

k0——頻率因子

T——溫度K E——反應(yīng)活化能J/mol，cal/mol R——?dú)怏w普適常數(shù)—阿累尼烏斯(Arrhenius)公式影響化學(xué)反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)⑴E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度理論思維：E的工程意義—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度T不變…E越大，ΔT小E不變…T越大，ΔT大速率常數(shù)提高一倍所需提高的溫度直觀理解：⑵與反應(yīng)熱ΔH的關(guān)系⑶活化能的數(shù)量級(jí)

40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有傳質(zhì)影響擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散活化能ED=（1~3）kcal/mol活化能的計(jì)算A.理論上已知兩點(diǎn)溫度下反應(yīng)速率，可估算EB.圖解法——根據(jù)斜率求Elnk1/TC.線性回歸——最小二乘法求E影響化學(xué)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)表達(dá)形式：⑴冪函數(shù)型 ⑵雙曲線型 ⑶經(jīng)驗(yàn)型常用氣固相催化反應(yīng)冪函數(shù)型優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算方便 是最常用的濃度效應(yīng)的函數(shù)形式對(duì)反應(yīng)⑴反應(yīng)級(jí)數(shù)（動(dòng)力學(xué)）不同于反應(yīng)分子數(shù)（化學(xué)計(jì)量學(xué)）基元反應(yīng)兩者等同反應(yīng)級(jí)數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，通常0、1、2級(jí)，或非整數(shù)級(jí)總級(jí)數(shù)通常反應(yīng)速率對(duì)濃度變化的敏感程度⑵反應(yīng)級(jí)數(shù)工程意義放大n倍級(jí)數(shù)越大，敏感理想化學(xué)反應(yīng)器定義：—排除工程因素影響的反應(yīng)器

—反應(yīng)結(jié)果由動(dòng)力學(xué)決定分類：*間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BR） *管式流動(dòng)反應(yīng)器（PFR）理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征反應(yīng)類型簡單反應(yīng)A→P可逆反應(yīng)串聯(lián)反應(yīng)：A→P→SPS平行反應(yīng)A理想間歇反應(yīng)器計(jì)算解法：⑴解析解，定量計(jì)算 ⑵圖解法，定性判斷恒容時(shí)；n級(jí)不可逆反應(yīng)

圖解法恒容時(shí)；自催化反應(yīng)

自催化反應(yīng)指的是反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，能加速反應(yīng)的進(jìn)行。工業(yè)生產(chǎn)上的發(fā)酵過程是一類典型的自催化反應(yīng)過程。

特征：⑴反應(yīng)存在啟動(dòng)過程—產(chǎn)物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大計(jì)算：解析解圖解法自測(cè)題特征：平衡一級(jí)可逆反應(yīng)分析一級(jí)假定理想間歇反應(yīng)器中的可逆反應(yīng)平衡狀態(tài)當(dāng)ΔHr〉0，可逆吸熱，當(dāng)ΔHr〈0，可逆放熱，TΔHr〉0ΔHr〈0工業(yè)過程受平衡的限制（熱力學(xué)）改變平衡狀態(tài)的措施： ①改變K—吸熱，受材質(zhì)限制；

—放熱，受動(dòng)力學(xué)限制。 ②改變體系濃度——反應(yīng)、分離組合APAP可逆反應(yīng)速率表達(dá)式積分式：t（k1+k2）濃度效應(yīng)與溫度效應(yīng)濃度效應(yīng)：T不變，K不變，溫度效應(yīng)：T↑可逆吸熱，可逆放熱，動(dòng)力學(xué)因素?zé)崃W(xué)因素需要對(duì)吸熱、放熱兩種情況分別討論SO2氧化反應(yīng)

—典型的可逆放熱反應(yīng)T低時(shí)，動(dòng)力學(xué)因素占主導(dǎo)地位T高時(shí)，熱力學(xué)因素占主導(dǎo)地位必然存在最優(yōu)溫度理想間歇反應(yīng)器中的平行反應(yīng)k1

k2APS類型：k1

k2A+BPS平行反應(yīng)CA、CP、CS設(shè)t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等當(dāng)n1=n2時(shí)，當(dāng)n1=n2=1時(shí)，有：瞬時(shí)選擇性或：—存在溫度效應(yīng)與濃度效應(yīng)...平均選擇性

與的關(guān)系圖解法：CafCA0CA平均選擇性—對(duì)反應(yīng)前后的計(jì)算=平行反應(yīng)選擇性的溫度效應(yīng)不變理論分析E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。平行反應(yīng)選擇性的濃度效應(yīng)理論分析n的本質(zhì)—表達(dá)了反應(yīng)速率對(duì)濃度變化的敏感程度。等溫下與無關(guān)結(jié)論：濃度升高有利于級(jí)數(shù)高的反應(yīng)。理想間歇反應(yīng)器中的串連反應(yīng)設(shè)各步反應(yīng)均為一級(jí)對(duì)A：設(shè)t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等

（與平行反應(yīng)相同）

存在最優(yōu)，對(duì)應(yīng)最大（與平行反應(yīng)不同）特征：串連反應(yīng)的選擇性和收率濃度效應(yīng)：任何使串連反應(yīng)的反應(yīng)物濃度下降、產(chǎn)物 濃度上升的因素，對(duì)串連反應(yīng)總是不利的β的特征：⑴反應(yīng)初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt1溫度效應(yīng)結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。T最優(yōu)轉(zhuǎn)化率最優(yōu)收率（均為k1，k2的函數(shù)）最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間令最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間解：最大收率最優(yōu)轉(zhuǎn)化率平推流活塞流反應(yīng)器理想管式反應(yīng)器平推流反應(yīng)器（PFR）流入量＝流出量＋反應(yīng)量＋累積量對(duì)微元作物料衡算：空時(shí)（與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間關(guān)系式相同）（如果不計(jì)輔助時(shí)間，則反應(yīng)器體積完全一樣）v0—進(jìn)料的體積流量PFR基本方程：適用等溫、變溫、等容、變?nèi)莸确e分式恒容自催化反應(yīng)、可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)等溫下簡單不可逆反應(yīng)的計(jì)算關(guān)系積分式：可逆反應(yīng)自催化反應(yīng)積分式：串聯(lián)反應(yīng)積分式：平行反應(yīng)k1

k2APS積分式：按反應(yīng)動(dòng)力學(xué)積分空速與空時(shí)v0—在規(guī)定條件下，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)器的物料體積單位——m3/hr,l/min…規(guī)定條件——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，進(jìn)口狀態(tài)膨脹因子—每消耗1molA時(shí)，系統(tǒng)總mol數(shù)的變化對(duì)A：對(duì)P：>0增大

<0減小=0不變

膨脹因子氣相反應(yīng)

膨脹率—假